Fluidos, viscosidade, escoamento, difusão. Introdução a

Biofísica
Bacharelado em Biologia
Prof. Dr. Sergio Pilling
PARTE A – Capítulo 5
Fluidos. Introdução a hidrostática e hidrodinâmica.
Objetivos: Nesta aula abordaremos o estudo dos fluidos. Faremos uma introdução a hidrostática
e hidrodinâmica. Veremos conceitos como tensão superficial, escoamento, viscosidade difusão e
osmose.
1 – Fluidos
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2 – Introdução à hidrostática (pressão atmosférica e pressão hidrostática)
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2.1 – Principio fundamental da hidrostática ou Teorema de Stevin (ΔP=ρgh)
"A diferença entre as pressões em dois pontos dentro de um líquido em equilíbrio é igual ao
produto da massa especifica do líquido (ou densidade do líquido) pelo módulo da aceleração da
gravidade do local onde é feito a observação, pela diferença entre as profundidades consideradas."
Simbolicamente, temos:
PA − PB = ( P0 + ρgh A ) − ( P0 + ρghB ) = ρgh
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Esta equação é chamada de teorema de Stevin e é o principio fundamental da hidrostática. A
partir deste teorema podemos concluir três propriedades:
1) A pressão aumenta com a profundidade. Para pontos situados na superfície livre, a pressão
correspondente é igual à exercida pelo gás ou ar sobre ela. Se a superfície livre estiver ao ar
atmosférico, a pressão correspondente será a pressão atmosférica, patm .
2) Pontos situados em um mesmo líquido e em uma mesma horizontal ficam submetidos à
mesma pressão.
3) A superfície livre dos líquidos em equilíbrio é horizontal.
Figura – Teorema de Stevin. Gráfico típico da variação da pressão p dentro de um liquido em
função da profundidade h.
Vasos comunicantes
Uma das aplicações do Teorema de Stevin são os vasos comunicantes. Num líquido que está em
recipientes interligados, cada um deles com formas e capacidades diversas, observaremos que a altura
do líquido será igual em todos eles depois de estabelecido o equilíbrio. Isso ocorre porque a pressão
exercida pelo líquido depende apenas da altura da coluna.
h
Figura – Vasos comunicantes.
As demais grandezas são constantes para uma situação desse tipo (pressão atmosférica,
densidade e aceleração da gravidade). As caixas e reservatórios de água, por exemplo, aproveitam-se
desse princípio para receberem ou distribuírem água sem precisar de bombas para auxiliar esse
deslocamento do líquido.
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2.2 – Principio de Pascal (prensa hidráulica)
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2.3 – Principio de Arquimedes
"Todo corpo mergulhado num fluido em repouso sofre, por parte do fluido, uma força vertical
para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo."
-
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4 – Introdução a hidrodinâmica
O movimento (escoamento) dos fluidso é de extrema importância na biologia uma vez que é a
partir de fluidos que nutrientes circulam dentro de um organismo (ex. circulação sanguínea). Além do
escoamento dos fluidos, outros fenômenos como a viscosidade, tensão superficial, ação capilar difusão
e osmose também são importantes.
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Simbolicamente a vazão Q é escrita como
Q=
Ax
= Av
Δt
onde A é a seção transversal do tubo, x é o espaço percorrido pelo fluido num tempo Δt e v é a
velocidade do fluido.
4.1 – Principio fundamental da hidrodinâmica ou Teorema de Bernolli
O Teorema de Bernoulli descreve o comportamento de um fluido movendo-se ao longo de uma linha
de corrente e traduz para os fluidos o princípio da conservação da energia.
Obs. Linha de corrente é uma linha contínua traçada no líquido, o lugar
geométrico dos pontos, que, num mesmo instante t considerado, mantémse tangente em todos os pontos à velocidade V. Pode também ser definido
como a família de curvas que, para cada instante de tempo, são as
envolventes do campo de velocidades num fluido. A linha de corrente é
correspondente diretamente à trajetória da partícula no fluido. O conjunto
de todas as linhas de corrente que passam por uma pequena curva fechada
é definido como um tubo de corrente.
Foi exposto por Daniel Bernoulli em sua obra Hidrodinâmica (1738) e expressa que num fluido ideal
(sem viscosidade nem atrito) em regime de circulação por um conduto fechado, a energia que possui o
fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A energia de um fluido em qualquer momento
consta de três componentes:
1. Cinética: é a energia devida à velocidade que possua o fluido (K = ½ v2 ρ)
2. Potencial gravitacional: é a energia devida à altitude que um fluido possua (U=ρgh)
3. Energia de fluxo: é a energia que um fluido contém devido à pressão que possui (Pressão = F/A
= W/V).
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Simbolicamente, podemos escrever a equação de Bernoulli como:
1 2
v ρ + P + ρ gh = const.
2
onde v = velocidade do fluido na seção considerada; g = aceleração gravitacional; z = altura na direção
da gravidade desde uma cota de referência.; P = pressão ao longo da linha de corrente; ρ = densidade
do fluido.
Considerando a figura abaixo, onde um fluido segue por um tubo que muda de diâmetro, podemos
escrever o princípio de Bernolli como:
1 2
1 2
v1 ρ + P1 + ρ gh1 = v2 ρ + P2 + ρ gh2 .
2
2
Supondo fluido ideal e um fluxo Q =
Ax
= Av constante, podemos escrever ainda que.
Δt
Q1 = Q2
→ A1v1 = A2 v2
Ou seja se a área aumenta, a velocidade diminui e vice-versa.
OBS. Para aplicarmos a equação de Bernolli deve-se realizar as seguintes suposições: i)
Viscosidade (atrito interno) = 0, ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual se aplica se
encontra em uma zona 'não viscosa' do fluido; ii) Fluxo (fluido) incompressível, onde ρ é constante; iii)
a equação se aplica ao longo de uma linha de corrente ou em um fluxo irrotacional.
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v1
h1
h
h2
Figura - Pelo teorema de Bernolli podemos explicar por exemplo porque na figura ao lado o fluxo de água tem
mais velocidade em baixo do que em cima.
4.2 – Escoamento laminar (eq. Poiseuille)
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Δl =L
r
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4.3 – Escoamento turbulento
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4.4 – Tensão superficial e Capilaridade
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Fig – Tensão superficial na água – Formação de gotas de orvalho em uma planta (esquerda). Água na
ausência de gravidade a assume a forma esférica devido as forcas de coesão das moléculas do volume do
liquido (direita). Vídeo em http://www.youtube.com/watch?v=Ta5ziJJ1exM
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4.5 Capilaridade
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A força de adesão é a atração entre moléculas diferentes, ou
seja, a afinidade das moléculas do líquido com as moléculas do tubo
sólido. Atua no sentido de o líquido molhar o sólido. A força de
coesão é a atração intermolecular entre moléculas semelhantes, ou
seja, a afinidade entre as moléculas do líquido. Atua no sentido de
manter o líquido em sua forma original.
Se a força de adesão for superior à de coesão, o líquido vai
interagir favoravelmente com o sólido, molhando-o, e formando um
menisco. Se a superfície sólida for um tubo de raio pequeno, como
um capilar de vidro, a afinidade com o sólido é tão grande que
líquido sobe pelo capilar. No caso do mercúrio, acontece o contrário,
pois este não tem afinidade com o vidro (a força de coesão é maior).
A altura alcançada pelo liquido no capilar pode ser obtida a partir da expressão abaixo:
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Fig – Efeito do diâmetro do tubo na altura do liquido (esq). O Efeito capilar é um dos fenômenos que ajuda a empurra a
seiva bruta das raízes ate as partas mais altas da planta (dir.).
Exemplo.
Supondo que para o ângulo entre a força de tensão superficial e a parede de um capilar estreito é muito
pequeno. Calcule a altura da coluna de agua dentro dos capilares com raio 0.2mm.
Dados γagua = 73×10-3 N/m e ρ agua = 1g/cm3.
h = 2 γagua / r ρ agua g = (2 × 73×10-3 ) / (0,2×10-3 ×103 × 9,8 ) = 0,07m = 7 cm.
4.7 – Difusão e Osmose
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Exercícios propostos____________________________________________________________
1)
2)
3)
4)
5)
6)
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7)
Supondo que para o ângulo entre a força de tensão superficial e a parede de um capilar estreito é muito
pequeno, calcule a altura da coluna de azeite dentro dos capilares com raio 0.5mm.
Dados γazeite = 32×10-3 N/m e ρ azeite = 0,8 g/cm3.
8)
Referências
- Duran J. E. R., 2003, “Biofísica – Fundamentos e Aplicações”, Ed. Peason.
- Okuno E., Caldas I.L. e Chow C., 1986, Física para ciências biológicas e biomédicas, Ed. Harba
- Halliday D, Resnick R. e Walker J., Fundamentos de Física, Volume 2. Livros Técnicos e Científicos
Editora SA - LTC, 8ª Ed., 2009.
- Heneine I. F., 2000, “Biofisica Básica”, Ed. Atheneu.
Lei de Snell (animação) http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/ondas/snell/snell.htm
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